JP4204349B2 - ガスタービンエンジンのための二重反転可能なブースタ圧縮機組立体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、ガスタービンエンジンのための二重反転可能なファン部分及び二重反転可能なブースタ圧縮機に関し、特に、ブースタ圧縮機において圧縮機のブレードとしても機能する二重反転可能なファン部分のファンブレード組立体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは、より低いノイズ及びより高い作動効率をもち、より大きな推力を達成するために、絶え間なく改善されている。１つの手法がバイパスターボファンエンジンとして知られるようになり、これは空気流が、２つの分離された、同軸の空気流の流れに分割されるものである。外側の空気流の流れは、エンジンのファン部分のみによって圧縮され、全体の推力の殆どを与えるために利用され、一方、内側の空気流の流れは、ファン、コアエンジン及びタービンを通り抜けて、該ファンを駆動させる動力を与えるために利用される。ファンの圧力比を上昇させ、より低い相対ノイズを備えるファンの効率を達成するために、ファン部分は、二重反転可能なファンを構成する、反対方向に回転するファンブレードの２つの段又は列を含む。より低いノイズとより高い効率のために、ファンブレードの２つの列を軸線方向に離し、それらの間の伴流の減衰を可能にすることが望まれるようになっている。
【０００３】
ファンのブレード列の間隔に必要とされる余分な長さを削減するために、内側及び外側の空気流の流れは、第２段のファンの内径内に位置するファンの段とブースタ圧縮機との間の軸線方向の位置で分離される。バイパスターボファンエンジンにおいて利用されたブースタ圧縮機の最初の構成は、第１ファンの段に応じて回転するロータブレードの種々の段、並びに、ロータブレードの各々の対の間に配置されたステータ羽根の段を含むものであった（例えば、特許文献１を参照）。また、特許文献２、特許文献３、及び特許文献４から分かるように、ブースタ圧縮機は、二重反転可能なファンの対応する段に応じて回転する、二重反転可能なブレード列又は部分を有するように設計された。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−６５３６５号公報
【特許文献２】
特開昭６３−１３４８１７号公報
【特許文献３】
米国特許第５，３０７，６２２号公報
【特許文献４】
特開昭６３−１０６３３５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ブースタの別々のブレード列を駆動することは、特定の機械的な複雑さをもたらすことが分かった。さらに、特に、ブースタ圧縮機を通る内側の空気流の流れは第２段のファンを通り抜けなければならないため、外側及び内側の空気流の流れのシーリングを必要以上に乱さない第２段のファンのための支持体が必要とされる。従って、前述を考慮して、第２段のファン及び対応するブースタ圧縮機のブレードの列の回転を単純化するための、二重反転可能なファン部分及び二重反転可能なブースタ圧縮機が開発されることが望ましい。さらに、より良好に先端間隙を維持するために、第２段のファンのブレードを保持するディスクが、エンジンの中心軸のより近くに配置されるようにすることが望ましい。
【０００６】
【発明を解決するための手段】
本発明の第１の実施の形態において、二重反転可能なファン部分及び二重反転可能なブースタ圧縮機を有するガスタービンエンジンのためのファンブレード組立体が、駆動軸に連結されたディスクと、該ディスク内に保持されたファンのブレード列と、第１の位置において各ファンブレードと一体で二重反転可能なブースタ圧縮機のための内側流路を形成する第１プラットフォーム部材と、第２の位置において各ファンブレードと一体で二重反転可能なブースタ圧縮機のための外側流路を形成する第２プラットフォーム部材とを含み、該第１プラットフォーム部材と該第２プラットフォーム部材との間に延びる各ファンブレードの一部は、二重反転可能なブースタ圧縮機の圧縮機のブレード列における圧縮機のブレードとして機能するものとして示される。
【０００７】
本発明の第２の実施の形態において、第１駆動軸に連結された第１ファンのブレード列と、該第１ファンのブレード列から軸線方向に離間して配置され、第２駆動軸に連結された第２ファンのブレード列を備える二重反転可能なファン部分とを有するガスタービンエンジンのための二重反転可能なブースタ圧縮機組立体が開示される。二重反転可能なブースタ圧縮機組立体は、第１駆動軸に連結された第１圧縮機のブレード列、及び該第１圧縮機のブレード列と互いに交互に配置され、第２駆動軸に連結された第２圧縮機のブレード列を含み、第２ファンのブレード列の各ファンブレードの一部は、二重反転可能なブースタ圧縮機の流路を通って延び、該第２圧縮機のブレード列における圧縮機のブレードとして機能する。
【０００８】
本発明の第３の実施の形態において、高圧タービンを含む高圧ロータと、該高圧ロータの後方に配置され、第１及び第２駆動軸を回転させるために効果がある二重反転可能な低圧用内側及び外側ロータを有する低圧タービンと、該高圧ロータより完全に前方にあり、該第１駆動軸に連結された第１ファンのブレード列及び該第１ファンのブレード列から軸線方向に離間して配置された第２ファンのブレード列を含む二重反転可能なファン部分と、該第１駆動軸に連結された第１圧縮機のブレード列及び該第１圧縮機のブレード列と互いに交互に配置され、該第２駆動軸に連結される第２圧縮機のブレード列を含む二重反転可能なブースタ圧縮機を含み、各低圧タービンロータは、ファンのブレード列及び圧縮機のブレード列の両方のそれぞれを駆動し、該第２ファンのブレード列の各々のファンブレードの一部は、二重反転可能なブースタの流路を通って延び、二重反転可能なブースタ圧縮機の第２圧縮機のブレード列における圧縮機のブレードとして機能するようになったガスタービンエンジンが開示される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、詳しく図面を参照すると、図の全体にわたって同一の参照番号が同じ構成要素を示しており、図１は、矢印１４によって表される周囲空気の吸気流を受けるファン部分１２を有する例示的なターボファンのガスタービンエンジン１０を示す。ファン部分１２は、ファンブレードの第１列１８を有する第１段１６、及びファンブレードの第２列２２を有する第２段２０を含むことが好ましい。典型的なバイパスターボファン装置において、ファンブレードの第１列１８は、ファンブレードの第２列２２の回転に対し反対方向に、すなわち対向する向きに回転する。第１ファンの段１６及び第２ファンの段２０は、ガスタービンエンジン１０を貫通する中心軸２４に対して所望の軸線方向距離だけ間隔をもって配置されて、その間の空気流に生じるいかなる伴流も最小限に抑えるようにすることが好ましいことが分かるであろう。
【００１０】
ここでは中間コアエンジンとしても知られる高圧ロータ２６は、ファン部分１２の下流に配置され、空気流がガスタービンエンジン１０を通して与えられたとき、その左側が上流側又は上流方向を表し、その右側が下流側又は下流方向を表すことが図１から理解されるであろう。高圧ロータ２６は、回転駆動されて高圧ロータ２６に入る空気を比較的高圧に圧縮する高圧圧縮機２８と、燃料を、高圧圧縮機２８によって加圧された空気１４と混合し、点火させて、下流に流れる燃焼ガスを生成する燃焼器３０と、燃焼ガスを受け、それによって回転駆動される高圧タービン３２とを含むことが理解されるであろう。高圧タービン３２は、次いで、高圧タービン３２と高圧圧縮機２８とを相互に連結させる高圧駆動軸３４を介して、高圧圧縮機２８を回転駆動する。高圧ロータ２６は、単一ユニットとしてガスタービンエンジン１０の他の部品から離して、独立して交換することができるようなモジュール形態であることが好ましい。
【００１１】
ブースタ圧縮機３６は、高圧ロータ２６の上流に配置されることが好ましく、ブースタ圧縮機のブレードの第１列３８、及び該ブースタ圧縮機のブレードの第１列３８と互いに交互に配置されるブースタ圧縮機のブレードの第２列４０を含む。ブースタ圧縮機３６は二重反転可能であり、これは第１のブースタ圧縮機のブレード列３８が、第２のブースタのブレード列４０の方向とは反対方向に回転することを意味する。ガスタービンエンジン１０は、第２ファンの段２０のブースタ圧縮機のブレード４０及びファンブレード２２が、高圧圧縮機２８の方向とは反対方向に回転して、ファン部分１２の流入空気流の歪みに対するガスタービンエンジン１０の感度を減少させ、並びに、他のロータにおける回転失速セルに対する相互感度も減少させるように設計することが好ましい。出口案内羽根４２は、第２ファンの段２０と高圧圧縮機２８との間に設けられて、高圧圧縮機２８への空気流の渦を逆にすることを助けることができる。
【００１２】
高圧タービン３２の下流に配置された二重反転可能な低圧タービン４４は、高圧タービン３２を通って流れる燃焼ガスを膨張させ、第１又は内側低圧駆動軸４６を用いて、第１ファンの段１６及び第１のブースタ圧縮機のブレード列３８を回転駆動し、第２又は外側低圧駆動軸４８を用いて、第２ファンの段２０及び第２ブースタ圧縮機のブレード列４０を回転駆動する機能を果たす。
【００１３】
さらに具体的に述べると、低圧タービン４４は、後方の低圧内側円錐状の延長部５２によって、第１内側低圧駆動軸４６に回転可能に取り付けられた環状外側ドラムロータ５０を含む。外側ドラムロータ５０はさらに、そこから半径方向内側に延び、互いに軸線方向に離間して配置された複数の第１低圧タービンのブレード列５４を含む。外側ドラムロータ５０は、低圧タービンのブレード列５４の最終段５６から出て片持ち状にされており、後方の低圧内側円錐状シャフトの延長部５２にボルト留めされているのが分かる。低圧内側駆動軸４６は、この場合、前方の円錐状内側シャフトの延長部５８によって、外側ドラムロータ５０を第１ファンの段１６及び第１ファンのブレード列１８に、駆動関係で連結していることが分かる。そして、第１のブースタ圧縮機のブレード列３８は、第１ファンの段１６をそこに連結するシャフト６０のために、低圧内側駆動軸４６によって間接的に駆動され、第１段ファンのブレード列１８及び第１ブースタ圧縮機のブレード列３８が、同じ方向に回転するようにさせる。
【００１４】
低圧タービン４４はさらに、後方の低圧外側円錐状シャフトの延長部６４によって、第２外側低圧駆動軸４８に回転可能に取り付けられた環状内側ドラムロータ６２を含む。内側ドラムロータ６２はさらに、そこから半径方向外側に延び、互いに軸線方向に離間して配置された複数の第２の低圧タービンのブレード列６６を含む。第１の低圧タービンのブレード列５４は、第２低圧タービンのブレード列６６に対して、互いに交互に配置されていることが好ましいことが理解されるであろう。内側ドラムロータ６２は、慣例的に、低圧タービンのブレード列６６の最終段６８を通して取り付けられ、後方の低圧外側円錐状シャフトの延長部６４にボルト留めされていることが分かるであろう。低圧外側駆動軸４８は、この場合、前方の円錐状外側シャフトの延長部７０を用いて、内側ドラムロータ６２を第２ファンの段１８及び第２ファンのブレード列２０に、駆動関係で連結されていることが分かる。ここでより詳細に説明されるが、第２のブースタ圧縮機のブレード列４０はさらに、低圧外側駆動軸４８によって駆動され、第２段ファンのブレード列２０及び第２のブースタ圧縮機のブレード列４０が同じ方向に回転するようにされ、これは第１ファンの段１６及び第１のブースタ圧縮機のブレード列３８による回転方向と反対である。
【００１５】
矢印７２によって表される、ファン１２のための流路は、ファンケーシング７４及び第１ファンの段１６のためのハブ７６によって形成される（図２参照）。流路７２は、この場合、第２ファンの段２０の上流側において分離され、矢印７８によって表される外側部分がエンジン１０の残りの部分をバイパスし（第２ファンの段２０を通り抜けることを除いて）、矢印８０によって表される内側部分が、ブースタ圧縮機３６及び高圧圧縮機２８への入口ダクト８２の中に向けられるようにするのが好ましいことが分かるであろう。ここでより詳細に説明されるが、分割ノーズ８４が流路７２を分割するために設けられていることが理解されるであろう。分割ノーズ８４に関連して、内側バイパス・プラットフォーム部材８６及びその下流に位置された壁８８が、ファンケーシング７４を備えるバイパスダクト９０を維持するために設けられ、それを通して、外側流路部分７８が流れる。同様に、壁９２はハブ７６に連結され、分割ノーズ８４、ブースタの内側プラットフォーム部材９４、及びブースタの外側プラットフォーム部材９６と共に、内側流路部分８０（或いは、ここではブースタ流路として知られる）を形成する。
【００１６】
図２及び図３で最もよく分かるように、第２ファンの段１８は、ファンブレード２２を保持するために、そこにダブテールを有する従来のディスク９８を含むことが好ましい。ディスク９８はシャフトの延長部１００に連結され、次いで、前方の円錐状外側シャフトの延長部７０に連結される。このようにして、ディスク９８及びファンブレード２２は、従って、低圧外側駆動軸４８によって駆動される。
【００１７】
本発明によれば、各々のファンブレード２２は、該ファンブレードと一体のブースタの内側プラットフォーム部材９４を含み、ブースタ流路８０のための内側境界を維持するようにすることが好ましい。ブースタの外側プラットフォーム部材９６は、さらに、ブースタ流路８０の外側境界を形成するために、各ファンブレード２２と一体であることが好ましい。この手法において、内側ブースタ・プラットフォーム部材９４と外側ブースタ・プラットフォーム部材９６の間に延びる各ファンブレード２２の内側部分は、ブースタ圧縮機３６の第２のブースタ圧縮機のブレード列４０における、圧縮機のブレード１０４として機能する。
【００１８】
さらに、図４及び図５で分かるように、各ファンブレード２２は、外側ブースタ・プラットフォーム部材９６の半径方向外側の位置で、該ファンブレードと一体の内側バイパス・プラットフォーム部材８６を含むのが好ましいことが分かる。分割ノーズ８４の外側ブースタ・プラットフォーム部材９６及び内側バイパス・プラットフォーム部材８６への連結を可能にするために、プラットフォーム部材８６及び９６を上流の端部で接合するフランジ１０６が設けられる。フランジ１０６は、この場合、ボルト１０８及び据え込みナット１１０を用いて、分割ノーズ８４に連結されることが好ましい。この手法において、ブースタ圧縮機３６のための少なくとも１つのスプール又は段を追加することができ、従って、１つ又はそれ以上の圧縮機のブレード列１１２が、分割ノーズ８４から半径方向内側に延び、ファンブレード２２と一致して回転することができる。もちろん、圧縮機のブレード１１２は、壁９２と接続するように設計されている。さらに、そうした圧縮機のブレードの列１１２は、ブースタ圧縮機のブレードの第１の列３８の上流に配置され、第１段ファンのブレード１８及びブースタ圧縮機のブレード３８とは反対に回転するようにされる。
【００１９】
図６から分かるように、付加的な圧縮機のブレード１１４が、少なくとも特定の所望のファンブレード２２の内側ファンブレード部分１０２に隣接した、内側ブースタ・プラットフォーム部材９４と外側ブースタ・プラットフォーム部材９６との間に配置されることが、さらに意図されている。そうした圧縮機のブレード１１４は、内側ファンブレード部分１０２より少ない幅を有することが好ましい点に留意されたい。従って、圧縮機のブレード１１４の前縁１１６が、内側ファンブレード部分１０２の前縁１１８とほぼ一致して配置されているとき、圧縮機のブレード１１４の後縁１２０は、内側ファンブレード部分１０２の後縁１２２の方向に、部分的に延びるだけである。
【００２０】
本発明の好ましい実施形態を示し、説明してきたが、さらに別のファンブレード２２及びブースタ圧縮機３６の適応は、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、当業者による適切な変形形態によって達成されることができる。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による二重反転可能なファン部分及び二重反転可能なブースタ圧縮機を含むガスタービンエンジンの断面図。
【図２】 図１に示されるガスタービンエンジンの拡大部分断面図。
【図３】 図１及び図２に示されるガスタービンエンジンの第２段のファンの部分斜視図。
【図４】 図３に示されるファンブレード組立体の前向きの後方斜視図。
【図５】 図３及び図４に示されるファンブレード組立体の後向きの斜視図。
【図６】 本発明による代替的な構成を有するガスタービンエンジンの第２ファンの段の部分断面図。
【符号の説明】
１０ ガスタービンエンジン
１２ ファン部分
１８ 第１ファンのブレード列
２２ 第２ファンのブレード列
３６ ブースタ圧縮機
３８ 第１圧縮機のブレード列
４０ 第２圧縮機のブレード列
４６ 第１（内側低圧）駆動軸
４８ 第２（外側低圧）駆動軸
８０ 流路
１０４ 圧縮機のブレード

Claims (9)

1. 第１駆動軸（４６）に連結された第１ファンのブレード列（１８）、及び、前記第１ファンのブレード列（１８）から軸線方向に離間して配置され、第２駆動軸（４８）に連結された第２ファンのブレード列（２２）を備える二重反転可能なファン部分（１２）を有するガスタービンエンジンのための二重反転可能なブースタ圧縮機組立体（３６）であって、前記二重反転可能なブースタ圧縮機組立体（３６）は、
   （ａ）前記第１駆動軸（４６）に連結された第１圧縮機のブレード列（３８）と、
   （ｂ）前記第１圧縮機のブレード列（３８）の下流に配置され、前記第２駆動軸（４８）に連結された第２圧縮機のブレード列（４０）とを備え、
   前記第２ファンのブレード列（２２）の各ファンブレード（２２）の一部（１０２）は、前記二重反転可能なブースタ圧縮機（３６）の流路（８０）を通って延び、前記第２圧縮機のブレード列（４０）における圧縮機のブレード（１０４）として機能するようになっており、
   前記二重反転可能なブースタ圧縮機組立体（３６）は、さらに、
   第１の位置において前記第２ファンのブレード列（２２）の各ファンブレード（２２）と一体で前記二重反転可能なブースタ圧縮機（３６）のための内側流路を形成する第１プラットフォーム部材（９４）と、
   第２の位置において前記第２ファンのブレード列（２２）の各ファンブレード（２２）と一体で前記二重反転可能なブースタ圧縮機（３６）のための外側流路を形成する第２プラットフォーム部材（９６）と、
   前記第２ファンのブレード列（２２）における少なくとも幾つかの前記ファンブレード（２２）に隣接して配置された付加的なブースタ圧縮機のブレード（１１４）とを備え、
   前記付加的なブースタ圧縮機のブレード（１１４）が前記第１プラットフォーム部材（９４）と前記第２プラットフォーム部材（９６）との間に延び、これらプラットフォーム部材に連結されている、ことを特徴とする組立体。
2. 第３の位置において前記第２ファンのブレード列（２２）の各ファンブレード（２２）と一体で前記二重反転可能なファン部分（１２）のための内側流路を形成する第３プラットフォーム部材（８６）をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の二重反転可能なブースタ圧縮機組立体（３６）。
3. 前記第２及び第３プラットフォーム部材（９６、８６）が上流で互いに接合されて、上流フランジ（１０６）を形成することを特徴とする、請求項２に記載の二重反転可能なブースタ圧縮機組立体（３６）。
4. 前記第２ファンのブレード列（２２）の上流に前記上流フランジ（１０６）に連結されたブースタのスプールをさらに備え、前記ブースタのスプールは、該スプールから延び、前記第２ファンのブレード列（２２）に応じて回転する少なくとも１つの圧縮機のブレード（１１２）を含むことを特徴とする、請求項３に記載の二重反転可能な圧縮機組立体（３６）。
5. 前記第２ファンのブレード列（２２）の下流の前記ブースタ流路（８０）に配置された出口案内羽根（４２）をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の二重反転可能なブースタ圧縮機組立体（３６）。
6. 前記ブースタ圧縮機（３６）が前記第１ファンのブレード列（１８）と前記第２ファンのブレード列（２２）との間に配置されたことを特徴とする、請求項１に記載の二重反転可能なブースタ圧縮機組立体（３６）。
7. 前記第２ファンのブレード列（２２）を保持するためのディスク（９８）をさらに備え、前記ディスク（９８）は前記第２駆動軸（４８）に連結されていることを特徴とする、請求項１に記載の二重反転可能なブースタ圧縮機組立体（３６）。
8. 前記付加的なブースタ圧縮機のブレード（１１４）の前縁（１１６）から後縁（１２０）までの幅が、圧縮機のブレード（１０４）として機能する前記ファンブレード部分（１０２）の前縁（１１８）から後縁（１０２）までの幅より少ないことを特徴とする、請求項１に記載のファンブレード組立体。
9. 前記付加的なブースタ圧縮機のブレード（１１４）の前縁（１１６）が、圧縮機のブレード（１０４）として機能する前記ファンブレード部分（１０２）のための前縁（１１８）に実質的に整列して配置されていることを特徴とする、請求項８に記載のファンブレード組立体。

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